Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn, với diện tích khoảng 40.683 km², là một trong những hệ thống sông quan trọng nhất tại miền Nam Việt Nam, đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế – xã hội của vùng Đông Nam Bộ và Thành phố Hồ Chí Minh. Thành phố Hồ Chí Minh, nằm trong tọa độ từ 10°10' đến 11°10' vĩ độ Bắc và 106°2' đến 106°45' kinh độ Đông, có diện tích tự nhiên khoảng 209.000 ha, chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chế độ thủy văn và biến đổi lòng dẫn của hệ thống sông này. Trong những năm gần đây, hiện tượng xói lở bờ sông tại các vị trí xây dựng công trình trên sông diễn biến phức tạp, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn công trình, môi trường và phát triển kinh tế – xã hội.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá diễn biến xói lở cục bộ tại các vị trí xây dựng công trình trên sông, đặc biệt tại các cống ngăn triều Mương Chuối và Sông Kinh, từ đó đề xuất các giải pháp chỉnh trị nhằm ổn định lòng dẫn, bảo vệ bờ sông và nâng cao hiệu quả khai thác công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào đoạn sông Mương Chuối và sông Kinh thuộc lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn, với dữ liệu thu thập trong giai đoạn trước và sau khi xây dựng các công trình ngăn triều, từ năm 1999 đến 2010.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý, quy hoạch và vận hành các công trình thủy lợi, giao thông thủy, đồng thời góp phần giảm thiểu thiệt hại do xói lở gây ra, đảm bảo phát triển bền vững vùng hạ lưu sông Đồng Nai – Sài Gòn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn – thủy lực hiện đại, bao gồm:

  • Lý thuyết xói cục bộ: Mô tả cơ chế hình thành hồ xói quanh trụ cầu và công trình chắn dòng, dựa trên sự kết hợp giữa dòng di xuống và các xoáy nước hình móng ngựa, làm tăng ứng suất trượt tại đáy sông (Melville, 1988). Các công thức tính toán xói cục bộ như công thức Lacey (1930), công thức CSU (Richardson et al., 1993), và công thức của Nguyễn Xuân Trục – Trần Đình Nghiên được áp dụng để ước lượng chiều sâu xói cực đại.

  • Mô hình thủy lực và mô hình toán học: Sử dụng các phần mềm mô phỏng như MIKE 11, MIKE 21FM và mô hình SRICOS-EFA để mô phỏng dòng chảy, vận chuyển bùn cát và dự báo diễn biến lòng dẫn. Mô hình CCHE3D được tham khảo để mô phỏng dòng chảy 3 chiều quanh trụ cầu, đánh giá ảnh hưởng của công trình đến xói cục bộ.

  • Khái niệm chính: Xói cục bộ, lòng dẫn sông, hồ xói, ứng suất trượt, mô hình thủy lực, bùn cát lơ lửng, triều biển Đông, công trình ngăn triều.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực địa về địa hình, địa chất, thủy văn, khí tượng, bùn cát lơ lửng tại các trạm lấy mẫu trên sông Đồng Nai – Sài Gòn giai đoạn 1999-2007; số liệu vận hành các công trình cống ngăn triều Mương Chuối và Sông Kinh; dữ liệu khảo sát hiện trạng xói lở bờ sông.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp phương pháp chuyên gia, khảo sát thực địa, phân tích thống kê và tương quan các yếu tố thủy văn – thủy lực; phân tích diễn biến hình thái lòng dẫn qua các giai đoạn trước và sau xây dựng công trình.

  • Phương pháp mô hình toán: Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy và vận chuyển bùn cát; mô hình MIKE 21FM để dự báo xói lở bờ sông; mô hình SRICOS-EFA để tính toán chiều sâu xói cục bộ tại vị trí công trình; mô hình CCHE3D tham khảo để đánh giá chi tiết dòng chảy quanh trụ cầu.

  • Cỡ mẫu và timeline: Nghiên cứu tập trung vào hai vị trí cống Mương Chuối và Sông Kinh, với dữ liệu thu thập và mô phỏng trong khoảng thời gian từ năm 1999 đến 2010, bao gồm giai đoạn trước và sau khi xây dựng công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Diễn biến lòng dẫn trước xây dựng công trình: Mô hình MIKE 11 cho thấy lòng dẫn sông tại vị trí nghiên cứu có xu hướng biến đổi mạnh, với chiều sâu xói cục bộ dao động từ 1,5 đến 3,0 m, đặc biệt tại các đoạn cong và khu vực có mật độ tàu thuyền cao. Lượng bùn cát lơ lửng tại các trạm lấy mẫu dao động từ 20 đến 60 mg/l, tăng cao vào mùa mưa.

  2. Ảnh hưởng của công trình ngăn triều đến xói cục bộ: Sau khi xây dựng cống Mương Chuối và Sông Kinh, mô hình MIKE 21FM dự báo sự gia tăng xói cục bộ tại chân công trình, với chiều sâu xói tăng thêm khoảng 20-30% so với trước xây dựng. Mô hình SRICOS-EFA tính toán chiều sâu xói cục bộ tại cống Mương Chuối đạt khoảng 3,5 m, tại cống Sông Kinh khoảng 3,2 m.

  3. Nguyên nhân xói cục bộ: Phân tích cho thấy nguyên nhân chủ yếu là do sự thay đổi vận tốc dòng chảy quanh công trình, kết hợp với tác động của triều biển Đông có biên độ dao động lớn (3,5 – 4,0 m), cùng với hoạt động khai thác cát không hợp lý và tác động của sóng do tàu thuyền qua lại.

  4. Hiệu quả các giải pháp chỉnh trị hiện tại: Các đoạn bờ được bảo vệ bằng kè bê tông, cọc bê tông dự ứng lực và rọ đá đã góp phần làm giảm tốc độ xói lở từ 15-25% tại các khu vực có công trình bảo vệ. Tuy nhiên, các giải pháp này chưa được áp dụng đồng bộ và chưa giải quyết triệt để hiện tượng xói cục bộ tại chân công trình.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và phân tích thực địa cho thấy sự gia tăng xói cục bộ tại vị trí xây dựng công trình là hệ quả tất yếu của việc thay đổi chế độ dòng chảy và vận tốc nước. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, như mô hình CCHE3D của Hoa Kỳ, cơ chế hình thành hồ xói quanh trụ cầu tương tự được xác nhận, với dòng di xuống và xoáy nước hình móng ngựa là nguyên nhân chính.

Việc sử dụng mô hình MIKE 11 và MIKE 21FM đã giúp dự báo chính xác diễn biến lòng dẫn, hỗ trợ đánh giá tác động của công trình ngăn triều. Tuy nhiên, các mô hình này cần được hiệu chỉnh liên tục với dữ liệu thực tế để nâng cao độ tin cậy.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành các công trình thủy lợi, giao thông thủy, đồng thời đề xuất các giải pháp chỉnh trị phù hợp nhằm giảm thiểu xói lở, bảo vệ bờ sông và đảm bảo an toàn công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ biến động chiều sâu xói cục bộ theo thời gian, bảng so sánh vận tốc dòng chảy trước và sau xây dựng công trình, cùng bản đồ biến đổi địa hình lòng dẫn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống kè bảo vệ chân công trình: Sử dụng kết cấu bê tông rời có liên kết hoặc rọ đá gia cố tại chân cống Mương Chuối và Sông Kinh để giảm thiểu xói cục bộ, mục tiêu giảm chiều sâu xói xuống dưới 2,5 m trong vòng 3 năm tới. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý dự án và Sở Nông nghiệp & Phát triển Nông thôn.

  2. Quản lý khai thác cát hợp lý: Thiết lập quy hoạch khai thác cát ven sông, hạn chế khai thác tại các khu vực nhạy cảm, nhằm duy trì cân bằng bùn cát trong lòng sông, giảm nguy cơ xói lở. Thời gian thực hiện: ngay trong năm đầu tiên, giám sát liên tục. Chủ thể: UBND Thành phố, Cục Quản lý tài nguyên nước.

  3. Tăng cường giám sát và cập nhật mô hình thủy lực: Thu thập dữ liệu thực địa định kỳ, hiệu chỉnh mô hình MIKE 11, MIKE 21FM để dự báo chính xác diễn biến lòng dẫn, hỗ trợ công tác vận hành công trình. Thời gian: hàng năm. Chủ thể: Viện Khoa học Thủy lợi, các trường đại học liên quan.

  4. Phát triển giải pháp phi công trình: Trồng cây phủ bờ, sử dụng thảm cỏ nhân tạo kết hợp với các kết cấu bảo vệ bờ nhằm tăng cường ổn định bờ sông, giảm tác động sóng và dòng chảy. Thời gian: triển khai trong 2 năm. Chủ thể: UBND các quận huyện ven sông, cộng đồng dân cư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi, giao thông thủy: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và giải pháp thực tiễn để xây dựng chính sách quản lý khai thác tài nguyên nước và bảo vệ công trình.

  2. Các kỹ sư thiết kế và vận hành công trình thủy lợi, cống ngăn triều: Tham khảo các mô hình tính toán, đánh giá xói cục bộ và giải pháp chỉnh trị phù hợp với điều kiện thực tế.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành Thủy văn học, Thủy lợi: Tài liệu tham khảo về phương pháp nghiên cứu, mô hình thủy lực và ứng dụng trong đánh giá diễn biến lòng dẫn.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển đô thị: Hiểu rõ tác động của công trình xây dựng trên sông đến môi trường và cảnh quan, từ đó phối hợp trong quy hoạch phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Xói cục bộ là gì và tại sao nó quan trọng trong xây dựng công trình trên sông?
    Xói cục bộ là hiện tượng xói lở tập trung tại vị trí chân công trình như trụ cầu hoặc cống, do sự thay đổi vận tốc dòng chảy và hình thành các xoáy nước. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và an toàn công trình, cần được đánh giá kỹ lưỡng để thiết kế biện pháp bảo vệ phù hợp.

  2. Mô hình MIKE 11 và MIKE 21FM có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    MIKE 11 mô phỏng dòng chảy một chiều và vận chuyển bùn cát trong hệ thống sông, kênh; MIKE 21FM mô phỏng dòng chảy 2 chiều và biến đổi lòng dẫn. Hai mô hình này giúp dự báo diễn biến xói lở và đánh giá tác động của công trình xây dựng trên sông.

  3. Nguyên nhân chính gây xói cục bộ tại vị trí công trình là gì?
    Nguyên nhân chính là sự gia tăng vận tốc dòng chảy quanh công trình, kết hợp với tác động của triều biển Đông có biên độ lớn, hoạt động khai thác cát không hợp lý và sóng do tàu thuyền qua lại.

  4. Các giải pháp chỉnh trị nào được đề xuất để ổn định lòng dẫn?
    Bao gồm xây dựng kè bảo vệ chân công trình bằng bê tông rời hoặc rọ đá, quản lý khai thác cát hợp lý, phát triển giải pháp phi công trình như trồng cây phủ bờ, và tăng cường giám sát, cập nhật mô hình thủy lực.

  5. Làm thế nào để giám sát hiệu quả diễn biến xói lở sau khi xây dựng công trình?
    Cần thu thập dữ liệu thực địa định kỳ về mực nước, vận tốc dòng chảy, bùn cát lơ lửng; sử dụng các mô hình thủy lực hiệu chỉnh liên tục; kết hợp khảo sát thực địa và công nghệ viễn thám để phát hiện sớm các biến đổi lòng dẫn.

Kết luận

  • Lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn có diễn biến lòng dẫn phức tạp, chịu ảnh hưởng mạnh của triều biển Đông và hoạt động con người, đặc biệt tại các vị trí xây dựng công trình ngăn triều.
  • Xói cục bộ tại chân công trình Mương Chuối và Sông Kinh gia tăng rõ rệt sau xây dựng, với chiều sâu xói lên đến 3,5 m, đe dọa an toàn công trình và bờ sông.
  • Các mô hình thủy lực MIKE 11, MIKE 21FM và SRICOS-EFA đã được hiệu chỉnh và ứng dụng thành công trong dự báo diễn biến lòng dẫn và xói cục bộ.
  • Giải pháp chỉnh trị kết hợp công trình và phi công trình được đề xuất nhằm ổn định lòng dẫn, giảm thiểu xói lở và bảo vệ môi trường sông.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác quản lý, quy hoạch và vận hành các công trình thủy lợi, góp phần phát triển bền vững vùng hạ lưu sông Đồng Nai – Sài Gòn.

Next steps: Triển khai các giải pháp đề xuất, tiếp tục thu thập dữ liệu giám sát, cập nhật mô hình và mở rộng nghiên cứu sang các vị trí công trình khác trong lưu vực.

Call to action: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu cần phối hợp chặt chẽ để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn, đảm bảo an toàn và phát triển bền vững hệ thống sông Đồng Nai – Sài Gòn.